Anders Grauers Svenskt hybridfordonscentrum Seminarium Drivsystem för energieffektiva tunga on-road och off-road fordon Del 1 Elektromekaniska drivsystem Anders Grauers Svenskt hybridfordonscentrum 2017-04-03 Anders Grauers

Innehåll Varför hybridisera Krav på drivlinan Olika elhybridsystem Krav på hybridsystemet Egenskaper hos nyckelkomponenter Elmaskiner Batterier Pris för olika elhybridsystem Olika marknadssegment och deras villkor Sammanfattning 2017-04-03 Anders Grauers

Varför hybridisera? Hybriddrivlina: Reducera bränsleförbrukning … men stor merkostnad! Prestanda + Funktionalitet (4WD) Vitt skilda lösningar: mikro-/mild-/fullhybrid Laddhybriddrivlina: Mycket lik hybriddrivlina Köra fordonet på el från elnätet  stor skillnad i krav Bör klara normalkörning utan förbränningsmotor. 2017-04-03 Anders Grauers

Hur kan drivlinan bli effektivare? Stadskörcykel USA (Obs: höga drivlineförluster p.g.a. automatväxel.) Avstängd motor vid stillestånd Avstängd motor vid frirullning Bromsåtervinning Bättre arbetspunkt genom högre växlar 2017-04-03 Anders Grauers

Hur kan drivlinan bli effektivare? (fortsättning) Minskad motorstorlek genom tillskott från elmotor … eller sämre prestanda (Mindre motor är ibland mer effektiv p.g.a. högre genomsnittslast) Återvinna energi i nedförsbackar 2017-04-03 Anders Grauers

Optimal driftpunkt på förbränningsmotorn Högre utväxling ger hög verkningsgrad men dålig körbarhet Elmotor kan vara effektreserv (helst använda den sällan) 2017-04-03 Anders Grauers

Krav på drivlinan 2017-04-03 Anders Grauers

Krav på hybriddrivlinan (för personbil) Långvarigt drivkraftsbehov: Toppfart Uppförsbackar Återvinning i nedförsbacke Kortvarigt drivkraftsbehov: Acceleration Bromsåtervinning 2017-04-03 Anders Grauers

Normaliserad dragkraft (N/kg) Hastighet (km/h) Required force for constant acceleration 0-100 km/h in 11 s 85 kW 120 kW 63 kW 49kW Force at constant speed and max uphill gradient 63 kW 85 kW Force at constant speed on flat road Kraftbehov under kort tid Kraftbehov under lång tid -27 kW Force at constant speed and max downhill gradient -36 kW Max force at normal deceleration Force at hard deceleration Hastighet (km/h) 2017-04-03 Anders Grauers

Olika elhybridsystem 2017-04-03 Anders Grauers

Seriehybrid Motorn ej mekaniskt kopplad till hjulen – ”elektrisk växellåda” Motorvarvtal kan väljas fritt, bara rätt effekt kan genereras. Batteriet kan utjämna effektbehovet 2017-04-03 Anders Grauers

Parallellhybrid Konventionell drivlina + elmaskin på drivaxeln. Färre elkomponenter än i seriehybrid, men mekanisk transm. Högre verkningsgrad än seriehybrid vid förbränningsmotordrift 2017-04-03 Anders Grauers

Krav på hybridsystemet 2017-04-03 Anders Grauers

Krav på effekt Bromsåtervinning >30 kW (100 kW) Nedförsbacke 30 kW För personbil 1500 kg Bromsåtervinning >30 kW (100 kW) Nedförsbacke 30 kW Avstängd förbränningsmotor vid stillestånd 2 kW Avstängd förbr.motor vid körning i lågfart 6 kW Eldrift utan förbränningsmotor Toppeffekt för normalprestanda 80 kW Max effekt vid mjukkörning (utan backar) 30 kW Konstantfart på motorväg 20 kW 2017-04-03 Anders Grauers

Vissa behov är oförutsägbara – kräver större energilager Krav på lagrad energi För personbil 1500 kg Bromsåtervinning  +0.1 kWh ca hälften av (m v^2)/2 (1500 kg * (30 m/s)^2 / 2) Nedförsbacke  +1 kWh ca hälften av m g h (1500 kg * 9.81 m/s^2 * 500 m) Avstängd förbränningsmotor vid stillestånd  -0.1 kWh P t (2 kW * 3 min) Avstängd förbränningsmotor vid körning i lågfart  -0.3 kWh P t (6 kW * 3 min) Eldrift för laddhybrider  -7.5 kWh 50 km körsträcka på el (0.15 kWh/km.) Vissa behov är oförutsägbara – kräver större energilager 2017-04-03 Anders Grauers

Egenskaper hos nyckelkomponenter Elektriska maskiner 2017-04-03 Anders Grauers

Typiska data - Elmaskin med kraftelektronik Vridmoment ca 1Nm/kg Högsta varvtal 5000-15000 rpm Verkningsgrad vid max effekt ca 85% - 95% Effekt (dimensioneringsval) ca 1 kW/kg Pris (kommer troligen sjunka) ca 500 kr/kW Vattenkyld - Inget servicebehov - lång livslängd 2017-04-03 Anders Grauers ,

Elektriska maskiner Kan vara både motor och generator Måste drivas med kraftelektronik (ses som ett delsystem) 2017-04-03 Anders Grauers ,

Elmaskinverkningsgrad (asynkronmaskin) 2017-04-03 Anders Grauers

Egenskaper hos nyckelkomponenter Batterier 2017-04-03 Anders Grauers

Typiska data - Litiumjonbatterier För komplett batterisystem Energi 30*-100 Wh/kg Effekt 1-3* kW/kg Verkningsgrad vid max effekt ca 90% Pris 10000 kr/kWh Målpris, högvolym 2500 kr/kWh Antal djupa cykler 2000 *)Effektoptimerade batterier (dyrare per kWh / billigare per kW) Känsligt för både för värme och kyla! 10 till 40°C 2017-04-03 Anders Grauers ,

Batteriverkningsgrad Förluster proportionella mot strömmen i kvadrat Låg effekt => låga förluster Hög effekt => påtagliga förluster (>10%) 2017-04-03 Anders Grauers

Livslängd i antal battericykler Uppskattat antal cykler för en personbil under hela livslängden OBS! Kalendertid och temperatur har också stark påverkan på livslängd! Livslängd i antal cykler Litiumjonbatteri (SAFT) HEV: 1 s tillskott HEV: 10 s acceleration Totalt antal laddningar (BEV/PHEV) BEV: Antal gånger batteriet körs helt slut Djup på upp- och urladdningscykel (%) 2017-04-03 Anders Grauers

Pris för olika elhybridsystem 2017-04-03 Anders Grauers

OBS: Extremt förenklad jämförelse Kostnad för drivlinor OBS: Extremt förenklad jämförelse 2017-04-03 Anders Grauers ,

Metoder att minska kostnaden. Mindre elmaskinen i parallellhybrid: Bara ren eldrift vid lågfart  80 kW => 30 kW Bara låg acceleration då förbr.motorn är av  Sänkt vridmomentskrav på EM Mindre förbr.motorn i serie & parallellhybrider: Sänkt toppfart Elmotorn som tillskott vid acceleration. Elmotorn som stöd i branta backar, tills batteriet är tomt. 2017-04-03 Anders Grauers

OBS: Extremt förenklad jämförelse Kostnad för drivlinor OBS: Extremt förenklad jämförelse 2017-04-03 Anders Grauers ,

Kostnad för olika teknologier för minskad CO2 Gräns för lönsamhet vid mycket korta körsträckor Gräns för lönsamhet vid mycket långa körsträckor

Olika marknadssegment och deras villkor 2017-04-03 Anders Grauers

Optimal lösning beror på körcykel Hybriddrivlina mest intressant för körcykler med Varierande belastning Många accelerationer och inbromsningar Stillestånd Krypkörning Verkningsgraden vid jämn belastning kan optimeras utan hybriddrivlina. Laddhybrid mest intressant för korta körsträckor. 2017-04-03 Anders Grauers ,

Acceptabel kostnad varierar stort Lång körsträcka ökar värdet av låg bränsleförbrukning: Buss/Lastbil 1’000’000 km Personbil 200’000 km Laddhybrid (på förbr.motor) < 100’000 km Räckviddsförlängare för elbil 20’000 km Det finns inte en lösning som passar alla användningar. 2017-04-03 Anders Grauers ,

Sammanfattning 2017-04-03 Anders Grauers

Sammanfattning Elhybrider är ännu dyra Främst mikro- och mildhybrider intressanta. Premiumbilar kanske kan ha fullhybridlösningar. Laddhybrider drivs med el från elnätet Eldrift kan motivera ett dyrt eldrivsystem. Laddhybrider mindre intressant för arbetsfordon p.g.a. långa körsträckor / lång drifttid per dag. Batterierna måste förbättras Kostnad / Livslängd / Temperaturkänslighet / … Priset på elmaskiner med kraftelektronik måste minska 2017-04-03 Anders Grauers ,

Elmaskin mot hydraulik Elmaskiner Hydraulik Förluster ökar med kraften. Låga förluster vid rotation.  Olämplig för stillastående kraftgenerering  Hög verkningsgrad vid hög hastighet Inga förluster vid statisk kraft. Förluster ökar med hastighet.  Lämplig för stillastående kraftgenerering  Högst verkningsgrad vid låg hastighet.(?) Kompletterande tekniker, utan överlapp(?) 2017-04-03 Anders Grauers ,

Backup 2017-04-03 Anders Grauers

Många olika sätt att spara bränsle (Gäller för personbilar)

Bakgrund till kostnadsberäkningar Konventionell drivlina: 100 kW FM  15’000 SEK Seriehybrid: (lite mindre FM möjlig, 80kW EM motsvarar 100 kW FM) 80 kW FM-s + 80 kW EM + 2 kWh BATT + 80 kW EM  98’000 SEK 30 kW FM-s + 30 kW EM + 2 kWh BATT + 80 kW EM  68’000 SEK Laddhybridversion med 10 kWh BATT  138’000 SEK Parallellhybrid: 100 kW FM + 80 kW EM + 2 kWh BATT  65’000 SEK 100 kW FM + 30 kW EM + 2 kWh BATT  40’000 SEK Laddhybridversion med 10 kWh BATT  105’000 SEK Batteri-elbil 100 km körsträcka: 80 kW EM + 20 kWh BATT  140’000 SEK 2017-04-03 Anders Grauers

Kraftelektronik Kraftelektronik krävs för att driva elmaskinerna. Kan ses som ett gemensamt delsystem. Styr strömmarna till elmaskinen med transistorer Kan styra vridmoment hos elmaskinen Förlusterna är ca 2-3% av överförd effekt. Inkluderas ofta i verkningsgraden för elmaskinen. 2017-04-03 Anders Grauers

Olika utformning av parallellhybrid Funktionella skillnader: Kan stänga av förbr.motor under körning (1 och 2). Kan driva/bromsa under växling (1) Kan ladda batterier då bilen står still (3) Kan starta förbr.motor med elmaskinen. (3) Hybrider kan ha två elmaskiner för att kombinera fördelarna. 2017-04-03 Anders Grauers